(12) PATENT (19) NO (11) 331292 (13) B2 NORGE (1) Int Cl. E21B 43/36 (06.01) B04C 11/00 (06.01) Patentstyret Avviker fra patent B1 etter innsigelse (21) Søknadsnr 093600 (86) Int.inng.dag og søknadsnr (22) Inng.dag 09.12.29 (8) Videreføringsdag (24) Løpedag 09.12.29 () Prioritet (41) Alm.tilgj 11.06. (4) Meddelt 11.11.21 (73) Innehaver Aker Subsea AS, Postboks 94, 132 LYSAKER, Norge (72) Oppfinner Klas Gøran Erikson, Bondibråten 7, 1387 ASKER, Norge Steinar Øyulvstad, Åssletta 4, 1341 SLEPENDEN, Norge Geir Inge Olsen, c/o Aker Subsea AS, Postbok 94, 132 LYSAKER, Norge (74) Fullmektig Protector Intellectual Property Consultants AS, Oscarsgate, 032 OSLO, Norge (4) Benevnelse Syklonstyring (6) Anførte publikasjoner WO 09/092998 A1 WO 04/007908 A1 WO 9/0732 A US 7013978 B2 US 81264 A WO 98377 A1 (7) Sammendrag System for styring av en undervannsbeliggende syklon for separasjon av olje fra vann. Syklonen settes til å motta vann med oljeinnhold gjennom en innløpslinje, oljen blir separert fra vannet og levert gjennom et oljeutløp til en oljeutløpslinje, og vannet blir levert gjennom et vannutløp til en vannutløpslinje. Systemet innbefatter en reguleringsventil i oljeutløpet eller oljeutløpslinje fra syklonen, en første differensialtrykk-transducer plassert mellom innløpslinjen og oljeutløpet fra syklonen, og en andre differensialtrykk-transducer plassert mellom innløpslinjen og vannutløpet fra syklonen. Systemet kjennetegnes ved at en sensor for å måle oljeinnhold er plassert i vannutløpet eller vannutløpslinjen, og via et styringsmiddel er nevnte sensor operativt koblet til reguleringsventilen. Fremgangsmåte for styring av en undervannsbeliggende syklon for separasjon av olje fra vann.
1 SYKLONSTYRING Oppfinnelsens felt Foreliggende oppfinnelse angår sykloner. Mer spesifikt angår foreliggende oppfinnelse styring av undervannsbeliggende sykloner for separasjon av olje fra en blandet strømning av olje og vann. 1 2 Bakgrunn for oppfinnelsen og kjent teknikk Syklonseparatorer er velkjent utstyr som bruker rotasjonseffekter, i tillegg til tyngdekraft, for å kunne separere væsker og/eller faste stoffer. Syklonerforåseparere væsker er ofte betegnet som hydrosykloner. Hydrosykloner har ett innløp ogto utganger, én utgang for den tyngre fasen ved spissen av en konisk seksjon og én utgang for den lettere fasen ved den motsatte enden, ved enden av en typisk sylindrisk seksjon. En hydrosyklon brukt til separasjon av olje fra en strømning som hovedsakelig innbefatter vann kan kalles en omvendt type hydrosyklon, ettersom den lettere fasen olje blir fjernet fra den tyngre fasen vann. Emnet for foreliggende oppfinnelse er ikke syklonene i seg selv, men styring av sykloner, og av denne grunn vil ikke sykloner bli beskrevet i videre detalj. Styringen av sykloner er typisk basert på modeller av separasjonseffekten og hvordan den angår parametere som trykk og strømning. For sykloner på industriområder og offshore-boreplattformer, kan prøver tas eller målinger gjøres av strømningen for å kunne verifisere at styringen av operasjonen er som tilsiktet. For sykloner lokalisert under vann, av og til på mange hundre meters dyp og titalls eller hundrevis av kilometer vekk fra kyst- eller overflateinstallasjoner, er styring av operasjonen vanskelig. For undersjøisk beliggende sykloner som separerer olje fra vann, kan vannet bli injisert inn i reservoaret og oljen kan bli transportert sammen med olje fra foregående separasjonsutstyr. Vannholdig olje må bli prosessert senere, til en kostnad, mens oljete vann kan forårsake problemer i reservoaret og oljete injeksjonsvann betyr at noe av den verdifulle oljen blir re-injisert inn i reservoaret så fort den har blitt produsert.
2 Typisk bør injeksjonsvann ha et oljeinnhold på 0 ppm eller mindre. For mye oljeinnhold i injeksjonsvann kan skade injeksjonskapasiteten til brønnen ved å tilstoppe porene i brønnformasjonen. En slik effekt er ofte reversibel, dvs. ved å injisere renere vann kan porene skylles rene, og injeksjonskapasitet gjenopprettes. Skaden er fra spredte væskedråper, dvs. at oppløste hydrokarboner har liten eller ingen effektpå injeksjonskapasitet. For stort innhold av faste stoffer i injeksjonsvannet kan på samme måte skade injeksjonskapasiteten til en brønn ved å tilstoppe porene i brønnformasjonen. Imidlertid er en slik skade på brønnen oftere irreversibel, og kan kreve et kostbart brønninngrep for å gjenopprette injeksjonskapasitet. 1 2 Det er derved ønskelig å være i stand til å måle mengden av væskedråper og partikler av faste stoffer på samme tid. I dag er det ingen instrumentering kommersielt tilgjengelig for å måle små mengder av oljeinnhold, og små mengder av faste stoffer i vannutløpslinjen fra en undervannsbeliggende syklon. Prøveinnsamling av en ROV (fjernstyrt undervannsfarkost, remotely operated vehicle ) styrt fra et overflatefartøy, er fremgangsmåten å velge for en faktisk verifikasjon av operasjonen. Det er et behov for et system og en fremgangsmåte for styring av en undervannsbeliggende syklon for separasjon av olje fra vann, som tilveiebringer mer nøyaktig kontroll og verifikasjon av separasjonseffekten. Dersom innholdet av faste stoffer også kan måles og begrenses, er dette også et behov. Oppsummering av oppfinnelsen Behovet blir møtt av foreliggende oppfinnelse som tilveiebringer et system for styring av en undervannsbeliggende syklon for separasjon av olje fra vann, syklonen settes til å motta vann med oljeinnhold gjennom en innløpslinje, oljen blir separert fra vannet og levert gjennom et oljeutløp til en oljeutløpslinje, og vannet blir levert gjennom et vannutløp til en vannutløpslinje, systemet innbefatter en reguleringsventil i oljeutløpet eller oljeutløpslinjen fra syklonen, en første differensialtrykk-transducer plassert mellom innløpslinjen og oljeutløpet fra syklonen, og en andre differensialtrykk-
3 transducer plassert mellom innløpslinjen og vannutløpet fra syklonen. Systemet særpreges ved at en sensor for å måle oljeinnhold er plassert i vannutløpet eller vannutløpslinjen, og via et styringsmiddel er nevnte sensor operativt koblet til reguleringsventilen, idet reguleringsventilen settes til å operere i henhold til et settpunkt for forholdet mellom de første og andre differensialtrykkene, idet settpunktet og reguleringsventilåpningen settes til å bli justert som et svar på en forandring i olje i vann-innhold, som målt med sensoren. 1 2 Fortrinnsvis er sensoren en optisk mørkefelt -opplysningssensor som beskrevet og illustrert i den parallelle patentsøknaden NO 09 398, som henvises til for detaljert informasjon. Mer spesifikt, dette er en optisk type sensor med objektiv og kamera plassert mellom et mangfold av lyskilder, plassert på utsiden av eller som inkluderer et vindu som skal plasseres i veggen av røret som transporterer strømningen som skal måles. Alternativt er sensoren i henhold til teorien i EP 11999. I én utførelsesform er sensoren en olje i vann-sensor, i en mer foretrukket utførelsesform er sensorenistandtil å fastslå innholdet av olje og også faste partikler, hvis noen, i strømningen i vannutløpet, noe som er å foretrekke fordi det tillater at forebyggende tiltak gjøres for å kunne forebygge injeksjon av faste partikler som kan ha en proppeffekt i reservoaret. Mer spesifikt settes oppstrøms sandseparasjonsutstyr, som sandfeller og sandseparatorer, inn i mer intens drift, eller tilbakeskylles for å kunne forbedre sandseparasjonseffekten, dersom sand blir påvist i vannet fra syklonen eller annet separasjonsutstyr. I tillegg eller alternativt, kan vann som inneholder sand dumpes gjennom et tømmeutløp oppstrøms for en vanninjeksjonspumpe, fortrinnsvis etter å ha åpnet en reguleringsventil i oljeutløpet fra syklonen for å kunne ha renerevanni vannutløpet fra syklonen, fortrinnsvis tilstrekkelig rent vann til å tillate dumping uten å bryte noen bestemmelser. Uprosessert eller filtrert sjøvann kan bli injiserttilvanneti syklonens utløpslinje har blitt verifisert til å være rent nok for sikker injeksjon, som verifisert ved å operere sensoren. Oppfinnelsen tilveiebringer også en fremgangsmåte for styring av en undervannsbeliggende syklon for separasjon av olje fra vann. Syklonen settes til å motta vann med mulig oljeinnhold gjennom en innløpslinje, oljen blir separert fra vannet og levert gjennom et oljeutløp til en oljeutløpslinje, og vannet blir levert gjennom et
1 4 vannutløp til en vannutløpslinje, en reguleringsventil er plassert i oljeutløpet eller oljeutløpslinjen fra syklonen, en første differensialtrykk-transducer er plassert mellom innløpslinjen og oljeutløpet fra syklonen, og en andre differensialtrykk-transducer er plassert mellom innløpslinjen og vannutløpet fra syklonen. Fremgangsmåten kjennetegnes ved at en oljeinnholdssensor er plassert i vannutløpet eller vannutløpslinjen, og reguleringsventilen opereres i henhold til et settpunkt for forholdet mellom de første og andre differensialtrykkene, der dette settpunktet og reguleringsventilåpningen blir justert som et svar på en forandring i olje i vann-innhold, som målt med sensoren. Fortrinnsvis opprettholder en PID-regulator et forhold mellom det første differensialtrykket og det andre differensialtrykket ved en konstant verdi, ved å styre reguleringsventilen i oljeutløpet eller oljeutløpslinjen. Dersom olje i vann-innholdet, som målt med sensoren, overstiger en grense, blir differensialtrykkforholdet fortrinnsvis høynet, hvorved reguleringsventilen åpner mer og mer olje blir separert fra vannet. Oppfinnelsen tilveiebringer også anvendelse av en mørkefeltsensor med objektiv og kamera, for å måle oljeinnhold i vannutløpet eller vannutløpslinjen fra en undervannsbeliggende syklon i et system ifølge oppfinnelsen eller en fremgangsmåte ifølge oppfinnelsen, for separasjon av olje fra vann, idet sensoren er operativt koblet til et middel for å styre operasjonen til den undervannsbeliggende syklonen. 2 Figurer Oppfinnelsen er illustrert med én figur, det vil si Figur 1 som illustrerer en utførelsesform av et system av foreliggende oppfinnelse. Detaljert beskrivelse Henvisning gjøres til Fig. 1 som illustrerer et system av foreliggende oppfinnelse og noen nærliggende deler. Et system 1 for styring av en undervannsbeliggendesyklon2 for separasjon av olje fra vann er illustrert. Syklonen 2 settes til å motta vann med oljeinnhold gjennom en innløpslinje 3, oljen blir separert fra vannet og levert gjennom et oljeutløp 4 til en oljeutløpslinje, og vannet blir levert gjennom et vannutløp 6 til en vannutløpslinje 7. Systemet innbefatter en reguleringsventil 8 i oljeutløpet eller
oljeutløpslinjen fra syklonen, en første differensialtrykk-transducer 9 plassert mellom innløpslinjen og oljeutløpet fra syklonen, en andre differensialtrykk-transducer plassert mellom innløpslinjen og vannutløpet fra syklonen og en sensor 11 for å måle oljeinnhold er plassert i vannutløpet eller vannutløpslinjen, og via et styringshjelpemiddel PID3 er nevnte sensor operativt koblet til reguleringsventilen 8, via en styreenhet PID2. Også nevnte differensialtrykk-transducere, eller forholdet mellom dem, DIV, er operativt koblet til reguleringsventilen 8, via styringsenheten PID2. I samsvar med dette, måles differensialtrykket mellom innløp og oljeutløp via sensor DPT1, differensialtrykket mellom innløp og vannutløp måles via sensor DPT2. Beregningselementet DIV beregner forholdet mellom disse to signalene og mater dette som en målt verdi til en Proporsjonalitet/Integral/Derivat(PID)-regulator PID2. 1 Så lenge oljens væskeegenskaper er konstante er distribusjonen av dråpestørrelse konstant, og oljekonsentrasjonen i syklonens innløp er konstant, og å holde forholdet mellom DP1 og DP2 konstant tilveiebringer en definert deling av innløpsstrømningen mellom de to utløpene. Dersom pumpens (14) hastighet varieres som svar på nivåforandring i en separator (12), vil reguleringsventilen (8) da forandre sin posisjon slik at strømningsmengdene ut av syklonen har et konstant forhold. 2 Dersom distribusjonen av dråpestørrelse forandrer seg slik at den gjennomsnittlige dråpestørrelsen minker, så minker også separasjonseffektiviteten til syklonen. Dråper med halvparten av størrelsen separerer ved tilnærmelsesvis 1/8 av hastigheten. Mindre dråper som kommer inn i syklonen vil derved føre til en økende mengde av olje i vannutløpet. Dette ville bli påvist av oljeinnholdssensoren (11), og via styringsenheten PID3 ville forholdssettpunktet til styringsenheten PID2 bli justert, slik at en større andel av den innkommende væsken blir sendt via oljeutløpet gjennom reguleringsventil (8). Dette vil minke oljeinnholdet i vannutløpet, på bekostning av å øke vanninnholdet i oljeutløpet. Settpunktet til styringsenheten PID3 er den ønskede oljekonsentrasjonen i vannutløpet. Dersom distribusjonen av dråpestørrelse forandrer seg slik at den gjennomsnittlige dråpestørrelsen øker, så øker også separasjonseffektiviteten til syklonen. Dråper med dobbel størrelse separerer ved tilnærmelsesvis 8 ganger hastigheten. Større dråper som
6 kommer inn i syklonen vil derved føre til en minkende mengde av olje i vannutløpet. Dette ville bli påvist av oljeinnholdssensoren (11), og via styringsenheten PID3 ville forholdssettpunktet til styringsenheten PID2 bli justert, slik at en mindre andel av den innkommende væsken blir sendt via oljeutløpet gjennom reguleringsventil (8). Dette vil øke oljeinnholdet i vannutløpet, og på samme tid minke vanninnholdet i oljeutløpet. Formålet med styringsenheten PID3 er derved å holde oljeinnholdet i vannutløpet på et visst settpunkt, og derved på samme tid minimere vanninnholdet i oljeutløpet fra syklonen. 1 Typisk er det en separatortank (12) oppstrøms for syklonen, som illustrert ifig.1,som f. eks. separerer vann fra olje. Olje/vann-kontaktflatenivået føles av nivåsensoren LT i Fig.1, og dette nivåsignalet blir sendt til en nivåregulator PID1. PID1 har et settpunkt for det ønskede kontaktflatenivået, og kan justere hastigheten av en vanninjeksjonspumpe (14), også illustrert i Fig. 1, slik at nivået kontrolleres rundt dennes settpunkt. I samsvar med dette resulterer et økende nivå i separatoren, som kommunisert av en nivå-transmitter LT, i en økning i pumpehastighet, og vice versa. 2 Strømningsdelingen eller separasjonseffekten til syklonen kontrolleres av reguleringsventilen 8, hvorved PID2-regulatoren holder et forhold mellom det første differensialtrykket 9 (DP1) og det andre differensialtrykket (DP2), som indikert av DIV i Fig. 1. I samsvar med dette deles innløpsstrømningen i et visst forhold mellom de to utløpene. Imidlertid beregnes settpunktet for strømningsdeling til regulator PID2 og justeres innenfor et akseptabelt område av styringsenheten PID3, der området representerer et akseptabelt operasjonsområde for syklonen. Mer spesifikt, dersom oljeinnholdet i vannutløpet øker, som målt av sensoren 11, vil regulator PID3 justere settpunktet for strømningsdeling slik at mer væske blir sendt til oljeutløpet, dvs. at reguleringsventilen blir åpnet noe. Dersom oljeinnholdet i vannet minker,sommåltav sensoren, vil regulator PID3 justere settpunktet for strømningsdeling slik at mindre væske blir sendt til oljeutløpet, dvs. at reguleringsventilen stenges noe. Dersom sammensetningen av innløpsstrømningen varierer vil settpunktet, og derved separasjonseffekten til syklonen, bli justertisamsvarmeddetteforåkunne sikre en konsekvent sammensetning av utløpsstrømningene fra syklonen.
P A T E N T K R A V 7 1 1. System for styring av en undervannsbeliggende syklon for separasjon av olje fra vann, syklonen settes til å motta vann med oljeinnhold gjennom en innløpslinje, oljen blir separert fra vannet og levert gjennom et oljeutløp til en oljeutløpslinje, og vannet blir levert gjennom et vannutløp til en vannutløpslinje, systemet innbefatter en reguleringsventil i oljeutløpet eller oljeutløpslinjen fra syklonen, en første differensialtrykk-transducer plassert mellom innløpslinjen og oljeutløpet fra syklonen, og en andre differensialtrykk-transducer plassert mellom innløpslinjen og vannutløpet fra syklonen, k a r a k t e r i s e r t v e d a t en sensor for å måle oljeinnhold er plassert i vannutløpet eller vannutløpslinjen, og via et styringsmiddel er nevnte sensor operativt koblet til reguleringsventilen, idet reguleringsventilen settes til å operere i henhold til et settpunkt for forholdet mellom de første og andre differensialtrykkene, idet settpunktet og reguleringsventilåpningen settes til å bli justert som et svar på en forandring i olje i vann-innhold, som målt med sensoren. 2. System i henhold til krav 1, k a r a k t e r i s e r t v e d a t sensoren er en mørkefeltsensor med objektiv og kamera plassert mellom to lyskilder, plassert på utsiden av eller som inkluderer et vindu som skal plasseres i rørveggen. 2 3. Fremgangsmåte for styring av en undervannsbeliggende syklon for separasjonavolje fra vann, syklonen settes til å motta vann med mulig oljeinnhold gjennom en innløpslinje, oljen blir separert fra vannet og levert gjennom et oljeutløp til en oljeutløpslinje, og vannet blir levert gjennom et vannutløp til en vannutløpslinje, en reguleringsventil er plassert i oljeutløpet eller oljeutløpslinjen fra syklonen, en første differensialtrykk-transducer er plassert mellom innløpslinjen og oljeutløpet fra syklonen, og en andre differensialtrykk-transducer er plassert mellom innløpslinjen og vannutløpet fra syklonen, k a r a k t e r i s e r t v e d a t en oljeinnholdssensor er plassert i vannutløpet eller vannutløpslinjen, og reguleringsventilen opereres i henhold til et settpunkt for forholdet mellom de første og andre differensialtrykkene, der dette
8 settpunktet og reguleringsventilåpningen blir justert som et svar på en forandring i olje i vann-innhold, som målt med sensoren. 4. Fremgangsmåte i henhold til krav 3, k a r a k t e r i s e r t v e d a t en PIDregulator opprettholder et forhold mellom det første differensialtrykket og det andre differensialtrykket ved en konstant verdi, ved å styre reguleringsventilen i oljeutløpet eller oljeutløpslinjen. 1. Fremgangsmåte i henhold til krav 4, k a r a k t e r i s e r t v e d a t dersom olje i vann-innholdet, som målt med sensoren, overstiger en grense, blir differensialtrykkforholdet høynet, hvorved reguleringsventilen åpnermerogmerolje blir separert fra vannet. 6. Anvendelse av en mørkefeltsensor med objektiv og kamera, for å måle oljeinnhold i vannutløpet eller vannutløpslinjen fra en undervannsbeliggende syklon ietsystem ifølge krav 1 eller en fremgangsmåte ifølge krav 3, for separasjon av olje fra vann, idet sensoren er operativt koblet til et middel for å styre operasjonen til den undervannsbeliggende syklonen.
1/1 Figur 13